DE3536321C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren für die Herstellung von Alphahalbhydratgips aus Calciumsulfatdihydrat von nach dem Naßwaschverfahren mit Kalk arbeitenden Rauchgasent­ schwefelungsanlagen, wobei eine aus der Rauchgasentschwefelungsan­ lage abgezogene, das Calciumsulfatdihydrat führende Suspension und gegebenenfalls Hilfssubstanzen von oben kontinuierlich in einen stehenden, rohrförmigen Reaktor eingeführt wird, die Suspension in dem Reaktor auf eine Reaktionstemperatur aufgeheizt wird, die größer ist als 100°C aber kleiner als die Siedetemperatur, und aus dem Reaktor unten eine Alphahalbhydratgipssuspension abgezogen wird, wobei mittels Regeleinrichtungen im Auslauf des Reaktors die Flüssig­ keitshöhe im Reaktor eingestellt wird. Gegenstand der Erfindung ist fernerhin ein Reaktor zur Durchführung eines solchen Verfahrens. - Mit zunehmender Zahl an Rauchgasentschwefelungsanlagen, die nach dem Naßwaschverfahren mit Kalk als Neutralisationsmittel arbeiten, wird die Entsorgung der als Calciumsulfatdihydrat anfallenden Gips­ mengen zum Problem. Eine Verwertungsmöglichkeit besteht, wenn das bei der Rauchgasentschwefelung anfallende Calciumsulfatdihydrat in hochwertigen Alphahalbhydratgips umgewandelt wird. Zum Beispiel eignet sich Alphahalbhydratgips aufgrund seiner hohen Druckfestig­ keit als Baumaterial für den Einsatz untertage.

Die Überführung von Calciumsulfatdihydrat in Alphahalbhydratgips ist durch Kristallisation in der Calciumsulfatdihydratsuspension aus der Rauchgasentschwefelungsanlage bei Temperaturen über 100°C und unter Druck möglich. Ein kontinuierliches Verfahren ist aus der Patentanmeldung P 35 01 402.4-45 bekannt. Der Reaktor, in welchem die Umkristallisation durchgeführt wird, ist als stehender mindestens 20 m hoher Rohrbündelwärmeaustauscher ausgeführt. In dem Mantel­ raum des Rohrbündelwärmeaustauschers wird Heizmedium geführt. Die Calciumsulfatdihydratsuspension wird von oben in die Wärmeaus­ tauscherrohre des Rohrbündelwärmeaustauschers eingeführt. Unten wird Alphahalbhydratgips in Form einer Suspension abgezogen. Durch Regeleinrichtungen im Auslauf ist das Flüssigkeitsniveau in den Wärmeaustauscherrohren einstellbar. Das Verfahren nutzt die Tatsache, daß sich in dem Wärmeaustauscherrohren eines stehenden Rohrbündel­ wärmeaustauschers, in dem in der beschriebenen Weise die Umsetzung durchgeführt wird, ein hydrostatischer Druck aufbaut, so daß sich der Betriebsdruck in der Suspension von oben nach unten, das heißt vom Atmosphärendruck bis zu dem vorgegebenen hydrostatischen Druck erhöht. Der Betriebsdruck läßt sich auf einfache Weise einstellen. Durch die Strömungsführung ist fernerhin sichergestellt, daß alle Volumenelemente der Suspension das gleiche thermodynamische Schicksal erfahren. Der Reaktor ist allerdings apparativ sehr aufwendig. Für die Beheizung sind große Wärmeaustauscherflächen erforderlich. Dies führt zu hohen Apparatekosten. Zum anderen ergeben sich daraus auch in funktioneller Hinsicht Nachteile. An der großen Oberfläche, die mit der Suspension in Kontakt steht, bilden sich in erheblichem Maße Inkrustationen, die zu einem Rückgang der Wärmeübertragungs­ leistung und zu einer ungleichmäßigen Strömungsverteilung führen. Bei den für das Verfahren erforderlichen Abmessungen ist eine Reini­ gung äußerst aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte gattungs­ gemäße Verfahren so auszubilden, daß ein Reaktor einsetzbar ist, der eine kleinere Oberfläche aufweist, die mit der Suspension in Kontakt steht. Der Reaktor soll sich durch eine einfache Herstellung, einen im Vergleich zu der bekannten Ausführung geringeren Material­ bedarf, kleineren Fertigungsaufwand und geringe Verschmutzungs­ neigung auszeichnen. Die thermodynamischen Randbedingungen, d. h. Temperatur, Druck und Verweilzeit der Suspension im Reaktor, sollen wie bei dem bekannten Verfahren genau einstellbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Suspension im Reaktor durch Wasserdampf beheizt wird, der in die Suspension eingeleitet wird, und daß die Beheizung mit Wasserdampf an einer Mehrzahl gleichmäßig in Längsrichtung verteilter Stellen vorgenommen wird. Arbeitet man nach der Lehre der Erfindung, so lassen sich die thermodynamischen Verfahrensparameter sehr genau einstellen. Das gilt sowohl für den Druck, der mit der Flüssigkeitssäule in den Wärmeaustauscherrohren veränderbar ist, als auch für die Temperatur sowie für die Verweilzeit der einzelnen Volumenelemente der Suspen­ sion im Reaktor. Das axiale Temperaturprofil in der Suspension kann dem örtlichen Betriebsdruck gut angepaßt werden. Es kann mit einem verhältnismäßig langsamen Temperaturanstieg in der Suspension gear­ beitet werden, was sich auf die Umsetzung und auf das Kristallwachs­ tum günstig auswirkt.

In der bevorzugten Ausführungsform wird der abwärts gerichteten Strömung im Reaktor im Bereich der Beheizung eine Mischströmungs­ bewegung zur Verbesserung des Wärmeaustausches überlagert. Im ein­ zelnen bestehen mehrere Möglichkeiten. Die Mischströmungsbewegung zur Verbesserung des Wärmeaustausches kann durch tangentiale Ein­ leitung des Wasserdampfes in den Reaktor erzeugt werden. Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mischströ­ mungsbewegung zur Verbesserung des Wärmeaustausches durch einen Teilstrom der Suspension erzeugt wird, der kontinuierlich aus dem Reaktor abgezogen und in den Reaktor zurückgeführt wird. Vorzugs­ weise wird der Wasserdampf in diesen, kontinuierlich aus dem Reaktor abgezogenen und in den Reaktor zurückgeführten Teilstrom eingeleitet.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Calciumsulfatdihydratsuspen­ sion vor Eintritt in den Reaktor vorzuwärmen. Vorzugsweise wird die Calciumsulfatdihydratsuspension vor Eintritt in den Reaktor durch Einleiten von Wasserdampf auf 110°C aufgeheizt. Für die Vorwärmung der Aufgabesuspension und die Beheizung der Suspension im Reaktor kann Kraftwerksabdampf, der mit 8 bar und überhitzt ansteht, einge­ setzt werden. Es versteht sich, daß wie bei dem bekannten gattungs­ gemäßen Verfahren die Calciumsulfathdihydratsuspension vor der Ein­ führung in den Reaktor mittels eines Hydrozyklonaggregates einge­ dickt werden kann und daß ggf. Hilfssubstanzen zur Verbesserung der Kristalltracht, z. B. Dicarbonsäure, beigegeben werden können. Entsprechend dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren besteht natürlich auch die Möglichkeit, einen Teil der aus dem Reaktor abge­ zogenen Alphahalbhydratgipssuspension im Kreislauf zu führen und im oberen Bereich des Reaktors wieder einzuleiten.

In bezug auf die Ausgestaltung des Reaktors lehrt die Erfindung, daß eine Mehrzahl von Einlaufstutzen in gleichmäßigen Abständen entlang des Reaktormantels angeordnet sind und daß diese Einlauf­ stutzen mit Einrichtungen für die Einleitung von Wasserdampf ver­ bunden sind. Vorzugsweise sind die Einlaufstutzen tangential an den Reaktormantel angeschlossen. Eine weitere Ausführungsform ist da­ durch gekennzeichnet, daß jedem Einlaufstutzen ein Auslaufstutzen zugeordnet ist, daß der Auslaufstutzen tangential und in der Drauf­ sicht gleichsinnig zu dem Einlaufstutzen an den Reaktormantel ange­ schlossen ist, daß der Einlaufstutzen und der Auslaufstutzen durch eine Umwälzleitung miteinander verbunden sind und an die Umwälzlei­ tung die Einrichtung für die Einleitung von Wasserdampf angeschlos­ sen ist. Allein die Einleitung von Wasserdampf kann eine Strömungs­ bewegung in der Umwälzleitung hervorrufen. In der bevorzugten Aus­ führungsform ist in der Umwälzleitung allerdings eine Umwälzpumpe angeordnet. Dadurch daß ein Teilstrom der Suspension kontinuierlich aus dem Reaktor abgezogen und durch die Umwälzleitung wieder in den Reaktor zurückgeführt wird, wird der abwärts gerichteten Strö­ mung im Reaktor eine Mischströmungsbewegung zur Verbesserung des Wärmeaustausches überlagert. Dadurch ist die Gefahr der örtlichen Überhitzung gering. Durch die tangentialen Ein- und Ausläufe erge­ ben sich hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Reaktor in Wandnähe. Dies vermindert die Gefahr von Ablagerungen an dem Reaktormantel. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Einlaufstutzen und der Auslaufstutzen höhenversetzt angeordnet, und zwar ist die Anord­ nung so getroffen, daß der Abstand zwischen dem Einlaufstutzen und dem zugeordneten Auslaufstutzen genau halb so groß ist wie der Ab­ stand zwischen benachbarten Einlaufstutzen. Bei dieser Ausführungs­ form ist in der Umwälzleitung eine Umwälzpumpe angeordnet.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren ein Reaktor eingesetzt wird, der keine Einbauten aufweist. Der Reaktor zeichnet sich durch eine sehr einfache Konstruktion aus. Der Reaktormantel kann aus kurzen Kolonnenschüs­ sen zusammengesetzt werden. Das ist fertigungstechnisch und mon­ tagetechnisch vorteilhaft. Aufgrund der kleinen Oberfläche, die mit der Suspension in Kontakt kommt, ist der Reaktor verschmutzungsun­ anfällig. Darüber hinaus ist er problemlos zu reinigen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Beheizung an einer Mehrzahl gleichmäßig in Längsrichtung verteilter Stellen vorgenommen wird. Auf diese Weise ist eine sehr genaue axiale Temperaturführung und Anpassung an den örtlichen Betriebsdruck im Reaktor möglich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausfüh­ rungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 das Verfahrensschema,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Reaktors im Ausschnitt mit Beheizungs­ einrichtung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Reaktor im Schnitt AB der Fig. 2.

Das in der Fig. 1 dargestellte Verfahren dient zur Entsorgung von Rauchgasentschwefelungsanlagen für Kraftwerke, die nach dem Naß­ waschverfahren mit Kalk arbeiten. Wässerige Calciumsulfatdihydrat­ suspension aus der Rauchgasentschwefelungsanlage wird bei diesem Verfahren durch Kristallisation in eine Alphahalbhydratgipssuspension überführt, die zu hochwertigem Baumaterial für den Einsatz unter Tage aufbereitet werden kann.

Die Umkristallisation von Calciumsulfatdihydrat in Alphahalbhydrat­ gips wird in einem stehenden, rohrförmigen Reaktor 1 durchgeführt. Die Reaktorlänge ist größer als 20 m. Der Reaktor besitzt keine Ein­ bauten. Auf den Reaktor 1 ist ein Standrohr 2 aufgesetzt, an dessen oberem Ende eine Überlaufleitung 3 angeschlossen ist, die zur Rauch­ gasentschwefelungsanlage führt. Der Reaktor 1 besitzt einen oberen Einlauf 4 für Calciumsulfatdihydratsuspension, der im Ausführungs­ beispiel an das Standrohr 2 angeschlossen ist, einen unteren Aus­ lauf 5 für Alphahalbhydratgipssuspension und einen Anschluß für eine Kreislaufleitung 6. Längs des Reaktors 1 sind in gleichmäßigen Abständen eine Mehrzahl von Beheizungseinrichtungen 7 angeordnet.

Die calciumsulfatdihydrathaltige Aufgabesuspension wird ggf. nach Vorkonzentrierung in einer hier nicht dargestellten Hydrozyklon­ batterie über eine Leitung 8 einer Mischstrecke 9 zugeführt, in der die Aufgabesuspension durch Einleitung von Wasserdampf vorgewärmt wird. Über den oberen Einlauf 4 wird die Aufgabesuspension dann kontinuierlich in den Reaktor eingespeist. Angedeutet wurde, daß der Calciumsulfatdihydratsuspension auch Hilfssubstanzen zur Verbes­ serung der Kristalltracht, z. B. Dicarbonsäure, beigegeben werden können und zwar über die Leitung 10. Im unteren Auslauf 5 wird der bei der Kristallisation gebildete Alphahalbhydratgips als Suspen­ sion ausgetragen. Mittels einer Regeleinrichtung 11 im Auslauf 5 ist das Flüssigkeitsniveau im Reaktor 1 einstellbar. Zur Durchführung der Umkristallisation wird die Suspension im Reaktor 1 beheizt. Die Beheizung erfolgt durch Wasserdampf, der in die Suspension eingelei­ tet wird. Eine Mehrzahl von Beheizungseinrichtungen 7 sind entlang der Reaktorlänge gleichmäßig angeordnet. In jeder Beheizungseinrich­ tung 7 wird ein Teilstrom der Suspension mittels einer Umwälzpumpe 12 aus dem Reaktor 1 abgezogen, mit Wasserdampf aufgeheizt und in den Reaktor 1 zurückgeführt. Die Dampfbeheizung erfolgt also in einer Umwälzleitung 13. Zur Dampfbeheizung wird zweckmäßigerweise Kraftwerksabdampf, der mit 8 bar und überhitzt in der Dampfleitung 14 ansteht, eingesetzt. Die mengemäßige Dosierung erfolgt durch Dampfregeleinrichtungen 15. Die Alphahalbhydratgipssuspension wird im unteren Auslauf 5 abgezogen und in einen Zwischenbehälter 16 mit Entlüftungseinrichtung 17 eingespeist. Mit der im Zwischenbehäl­ ter 16 vorgelegten Suspensionsmenge können Schwankungen im kon­ tinuierlichen Betrieb ausgeglichen werden. Aus dem Zwischenbehälter 16 wird ein, dem Massenstrom der Aufgabesuspension entsprechender Massenstrom der Alphahalbhydratgipssuspension mittels einer Förder­ pumpe 18 einer nachgeschalteten, hier nicht dargestellten, mecha­ nischen Entwässerungseinrichtung zugeführt. Ein Teilstrom der Alpha­ halbhydratgipssuspension wird mittels einer Kreislaufpumpe 19 über die Kreislaufleitung 6 aus dem Zwischenbehälter 16 in den oberen Bereich des Reaktors 1 zurückgeführt. Mittels dieses Teilstromes ist die Kristallstruktur beinflußbar.

Insbesondere aus den Fig. 2 und 3 entnimmt man die Ausbildung der Beheizungseinrichtungen 7. Die Beheizungseinrichtungen 7, von denen hier nur eine dargestellt ist, besteht aus einer Umwälzleitung 13, einer Umwälzpumpe 12 und einer Einrichtung 22 für die Einlei­ tung von Wasserdampf. Die Umwälzleitung 13 verbindet einen Einlauf­ stutzen 20 und einen Auslaufstutzen 21, die tangential und in der Draufsicht gleichsinnig an den Reaktormantel 23 angeschlossen sind. Es wurde angedeutet, daß der Reaktormantel aus kurzen Kolonnen­ schüssen aufgebaut werden kann. Der Einlaufstutzen 20 und der Aus­ laufstutzen 21 sind höhenversetzt angeordnet. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Abstand h zwischen dem Einlaufstutzen 20 und dem Auslaufstutzen 21 genau halb so groß ist wie der Abstand H zwischen den einander benachbarten Einlaufstutzen 20 und 20 a. Die Förderrichtung der Umwälzpumpe 12 ist so gewählt, daß die Suspen­ sion in der Umwälzleitung 13 von unten nach oben gefördert wird. Die eingespeiste Dampfmenge ist durch die Dampfregeleinrichtung 15 einstell- und regelbar. Als Führungsgröße für die Regelung der ein­ gespeisten Dampfmenge dient die örtliche Suspensionstemperatur in der Umwälzleitung.

Die Verhältnisse mögen so getroffen sein, daß die Calciumsulfatdihy­ dratsuspension vor Eintritt in den Reaktor auf einen Feststoffgehalt von 100 bis 800 g/l eingedickt ist und nach Vorwärmung in der Mischstrecke 9 mit 110°C über den oberen Einlauf 4 in den Reaktor 1 eintritt. Die Umkristallisation wird bei einem pH-Wert zwischen 3,7 und 8,8, vorzugsweise bei 4,5 bis 5,5 und einer Temperatur zwischen 120°C und 130°C durchgeführt. In dem Reaktor ist eine ent­ sprechende Flüssigkeitssäule eingestellt. Die Verweilzeit liegt im Ausführungsbeispiel bei 10 bis 20 Minuten.

Claims (13)

1. Verfahren für die Herstellung von Alphahalbhydratgips aus Calciumsulfatdihydrat von nach dem Naßwaschverfahren mit Kalk arbeitenden Rauchgasentschwefelungsanlagen, wobei eine aus der Rauchgasentschwefelungsanlage abgezogene, das Calciumsulfatdihydrat führende Suspension und ggf. Hilfssubstanzen von oben kontinuier­ lich in einen stehenden, rohrförmigen Reaktor eingeführt wird, die Suspension in dem Reaktor auf eine Reaktionstemperatur aufge­ heizt wird, die größer ist als 100°C aber kleiner als die Siede­ temperatur, und aus dem Reaktor unten eine Alphahalbhydratgips­ suspension abgezogen wird, wobei mittels Regeleinrichtungen im Aus­ lauf des Reaktors die Flüssigkeitshöhe im Reaktor eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspen­ sion im Reaktor durch Wasserdampf beheizt wird, der in die Suspen­ sion eingeleitet wird, und daß die Beheizung mit Wasserdampf an einer Mehrzahl gleichmäßig in Längsrichtung verteilter Stellen vor­ genommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ab­ wärts gerichteten Strömung im Reaktor im Bereich der Beheizung eine Mischströmungsbewegung zur Verbesserung des Wärmeaustausches über­ lagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischströmungsbewegung zur Verbesserung des Wärmeaustausches durch tangentiale Einleitung des Wasserdampfes in den Reaktor er­ zeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischströmungsbewegung zur Verbesserung des Wärmeaustausches durch einen Teilstrom der Suspension erzeugt wird, der kontinuier­ lich aus dem Reaktor abgezogen und in den Reaktor zurückgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf in den Teilstrom der Suspension eingeleitet wird, der kontinuierlich aus dem Reaktor abgezogen und in den Reaktor zu­ rückgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Calciumsulfatdihydratsuspension vor Eintritt in den Reaktor durch Einleiten von Wasserdampf auf 110°C aufgeheizt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Beheizung Kraftwerksabdampf, der überhitzt an­ steht, eingesetzt wird.

8. Reaktor für die Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 7, - mit

• einem stehenden, rohrförmigen Reaktormantel,
  einem oberen Einlauf für Calciumsulfatdihydratsuspension,
  einem unteren Auslauf für Alphahalbhydratgipssuspension,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Einlaufstutzen (20) in gleichmäßigen Abständen entlang des Reaktormantels (23) angeordnet sind und daß diese Einlaufstutzen (20) mit Einrichtungen (22) für die Einleitung von Wasserdampf ver­ bunden sind.

9. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ laufstutzen (20) tangential an den Reaktormantel (23) angeschlossen sind.

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Einlaufstutzen (20) ein Auslaufstutzen (21) zugeordnet ist, daß der Auslaufstutzen (21) tangential und in der Draufsicht gleichsinnig zu dem Einlaufstutzen (20) an den Reaktormantel (23) angeschlossen ist, daß der Einlaufstutzen (20) und der Auslaufstutzen (21) durch eine Umwälzleitung (13) miteinander verbunden sind und an die Umwälzlei­ tung (13) die Einrichtung (22) für die Einleitung von Wasserdampf angeschlossen ist.

11. Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umwälzleitung (13) eine Umwälzpumpe (12) angeordnet ist.

12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ laufstutzen (20) und der Auslaufstutzen (21) höhenversetzt angeordnet sind, und daß der Abstand (h) zwischen dem Einlaufstutzen (20) und dem zugeordneten Auslaufstutzen (21) genau halb so groß ist wie der Abstand (H) zwischen benachbarten Einlaufstutzen (20, 20 a).